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　　摘要:为了充分认识和高度重视我国煤矿机械的磨损失效问题，对煤矿机械的磨损失效形式和机理进行了现场研究和理论分析，对因磨损而造成的经济损失进行了统计计算.研究表明:煤矿机械的磨损失效形式主要是磨损和断裂;磨损机理主要是磨粒磨损和腐蚀磨损;全国煤矿系统因磨损而造成的经济损失每年大约在400亿元以上.此外，还对如何有效地减少煤矿机械磨损和延长其使用寿命提出了具体建议.

　　关键词:煤矿机械;磨损失效;减磨

　　煤炭是我国的第一能源，我国煤炭90%以上的生产作业是在地下进行的，与一般工、农业生产机械相比，煤矿生产中的机械设备具有如下特点:①工作环境恶劣.设备时刻处于粉尘、水汽以及有害气体的包围之中;②工况条件苛刻.大多数机械设备是在高速、重载、振动、冲击、摩擦和介质腐蚀等的工况条件下工作;③运行时间长.绝大部分机械设备不分昼夜，长年累月连续作业;④润滑条件差.由于环境恶劣，工况苛刻，加上停机时间短，这就使得机械零部件得不到良好的润滑和维护.因此，煤矿机械的磨损失效现象极其严重，由此而引发的设备故障和安全事故时有发生，造成的经济损失和危害难以估量.随着我国煤矿机械化程度的日益提高，机械设备的磨损失效问题越来越突出，因此研究减缓煤矿机械的磨损失效对煤矿高产、高效和安全生产具有十分重要的意义，也是一项非常迫切的任务.为了深入了解和掌握煤矿机械的磨损失效情况，笔者调研了苏(徐州矿务集团、大屯煤电集团公司)、鲁(兖州矿务集团)皖(淮北矿务集团)等地区的主要煤矿，对煤矿机械的使用情况进行现场分析研究.本文主要介绍典型机械设备的磨损失效形式、磨损原因和由磨损造成的经济损失等.希望以此引起煤矿生产单位、上级主管部门和科研单位对煤矿机械磨损失效问题的重视.

　　1磨损失效形式及机理

　　1.1采煤机和掘进机磨损

　　(1)截齿磨损截齿是采煤机中直接在煤层中割煤的零部件，它安装于滚筒上，随着滚筒的旋转，与煤层直接摩擦，因此，摩擦磨损是截齿的主要失效形式.当煤层中存在矸石等硬的矿料时，截齿将会急剧磨损，同时还产生很高的摩擦温度(高达600～800℃)，因而加快了截齿磨损.截齿在截割煤岩时承受着高的压应力、剪应力和冲击负荷，如果岩石硬度很高(可达HV900～1100)，会造成截齿过载而直接断裂.在煤炭生产中，截齿的消耗量是惊人的.由淮北矿务集团配件科提供的数据显示，仅安徽淮北矿务集团1a的截齿使用量就达70～80万把，折合人民币1600多万元(按2004年价格计算，下同).通过对几个煤矿的研究统计，磨损失效占截齿失效的80%～95%，而断裂失效仅占5%左右.

　　(2)滚筒磨损随着截齿将煤块从煤壁上切割下来，煤块自然地落在两条螺旋叶片之间，沿着旋转着的螺旋滚筒轴向移动到输送机上.因此煤块对滚筒的磨损非常严重，特别是螺旋叶片表现得最为突出，从最初的25mm磨损到只有几个毫米.此外，滚筒的端盘齿座磨损也极其严重，在使用现场发现，采煤机滚筒的换刀孔(截齿座)，一般情况下7～8个月(采煤100万t左右)就会出现变大现象，主要是由于截齿在截割煤层过程中，受振动冲击的作用，使截齿和齿座之间产生摩擦磨损所致.当截齿和齿座内壁出现缝隙时，煤粒和岩石粉尘进入其中，形成三体磨粒磨损，从而加剧了齿座的磨损.齿座磨损严重导致截齿固定不牢.采煤机除了截齿和滚筒在工作过程中易磨损外，减速箱中的齿轮也是主要的易磨损零件.

　　掘进机和采煤机的工作原理类似，其磨损失效情况与采煤机大致相同.对于因磨损造成采煤机、掘进机修理和更换材料的费用惊人，仅徐州矿务集团旗山煤矿(160万t/a)每年投入的资金就达90万元(不包括截齿).现场统计数字表明，全国每年采煤机、掘进机因磨损失效而投入的资金高达27亿元.

　　1.2刮板输送机磨损

　　刮板输送机是靠链条拖动刮板在中部槽内滑动而输送物料的，摩擦磨损和腐蚀磨损是刮板输送机的主要失效形式，它是煤矿生产中因磨损导致破坏最为严重的设备之一.磨损较为突出的是中部槽、链轮、链条、刮板、轴承及减速箱中的齿轮.

　　(1)中部槽磨损在工作过程中，刮板输送机两边链由机头电机牵引与刮板一起带着物料在中部槽内移动.中部槽的磨损主要是物料(煤及矸石)、刮板和链对中板及槽帮的磨损，以及采煤机沿中部槽移动时造成的槽帮上翼磨损.按设计要求，两相邻中部槽水平偏转角和垂直平面的弯曲倾角不应超过3°，而实际上由于地面不平等原因，往往铺设角度超过以上规定，这样便使链条在运行过程中与槽帮和中板的接触压力增大，加速了中板和槽帮的磨损，同时又增加了机电事故的发生.根据现场数据统计，我国每年报废的中部槽多达50～60万节.消耗钢材6.0～7.2万t，价值2.40～2.88亿元.这是按照国产钢材价格估算的.2005年来，许多煤矿机械的生产厂家，为了提高煤矿生产的可靠性，将刮板输送机中部槽的中板采用进口钢板，将厚度由25～30mm提高到40～50mm，估计成本将增加1～2倍.

　　(2)链条磨损链条的失效形式主要是断链，其发生频繁，约占刮板输送机事故发生总数的50%.而链条断裂的主要原因是磨损.链条在工作过程中由于要与中部槽及物料接触摩擦，同时主动链轮与链环在啮合时会产生相对滑动，此外链环与链环之间也存在着摩擦，种种原因导致链条在工作中不可避免地产生磨损.磨损致使链环截面积减小，从而强度降低，最终导致链条断裂.链条磨损后传动效率比正常链条降低6%左右，且使平环肩部磨损加剧，甚至形成“啃肩”现象;同时，平环与链轮轮齿的接触部位上升，容易造成爬链(即平环搭在链轮齿顶上)，从而造成刮板输送机事故的发生.

　　刮板输送机除中部槽、链条易磨损外，刮板、减速箱齿轮、传动轴(键与键槽)和轴承等也都是极易磨损的部件.现场使用表明，一部SGW-40T型刮板输送机，价值400万元，在运载60～80万t煤之后就报废了.SGZ-1000/1400型刮板输送机的中板采用厚度为50mm的进口钢材，而该机的过煤量也只是在300万t左右.按今年全国煤炭产量20亿t及采煤机械化平均水平45%统计，全国刮板输送机每年因磨损引起的资金投入为10～12亿元.

　　1.3提升机磨损

　　(1)钢丝绳磨损钢丝绳的失效形式主要是断面面积损失和局部损伤，从而使钢丝绳强度逐渐降低，最后达到极限而断裂.竖井提升钢丝绳的外部磨损是由于钢丝绳与滚筒、天轮之间的摩擦造成的.由于木衬的磨损，绳弦内偏角、滚筒直径与缠绳间隙配合不当，将会出现新绳“咬绳”现象，加剧钢丝绳的磨损.另外，多层缠绕时，出现对钢丝绳挤压的“跨圈现象”.这种现象使钢丝不但有横向滑动，而且也有纵向滑动，从而造成钢丝绳滑动段的剧烈磨损.在摩擦式提升机中，由于几根钢丝绳中存在张力不平衡，致使提升机在运行时出现往复窜动现象，也会加速钢丝绳的磨损.此外斜井提升钢丝绳由于主要与地滚、道床及巷道里的浮岩(煤)接触，这是钢丝绳磨损的另一重要原因[1].

　　提升钢丝绳中还存在着振幅不大的微动磨损.对于较小的微动振幅，往往会引起钢丝之间微动接触区的裂纹萌生、扩展与断裂，形成微动疲劳;而对于较大的微动振幅，将会引起钢丝接触面磨损，造成钢丝横截面积减小，久而久之，产生具有一定深度的缺口，在交变应力的作用下缺口处产生应力集中，引发钢丝的疲劳断裂.钢丝绳磨损失效是钢丝绳失效的主要原因.目前，我国矿井提升用钢丝绳大部分采用进口的，价格昂贵.一根长800m、直径为40mm的钢丝绳价格为12万元左右，而寿命仅为1.5～2.0a.从现场了解到，仅在兖州矿务集团兴隆庄煤矿，每年钢丝绳投入资金高达60～70万元(立井提升).在淮北矿务集团，每年消耗钢丝绳1700多吨，价值1360多万元.现场统计显示，全国每年钢丝绳的投入成本在14亿元左右.

　　(2)箕斗磨损在装煤、运煤、卸煤的过程中，提升机箕斗的磨损非常严重，其主要磨损部位是衬板.在装煤过程中，煤对衬板有冲击磨损;卸煤时煤对衬板存在滑动磨损;空箕斗下井过程中由于井道中大量水汽，使得衬板严重锈蚀.在装煤时的冲击作用下，脆弱的铁锈层很容易脱落，这样周而复始，使得箕斗的衬板很快就被磨穿而失效.从现场获知，年提升量760万t的箕斗，一年中更换衬板费用就需要40～50万元.而一个提升箕斗在这样的维护下，其使用年限也只是4a左右.

　　根据现场获得的数据统计，全国平均每年用于维护、更换矿井提升设备的资金需要15亿元.

　　1.4胶带输送机磨损

　　胶带输送机在煤矿生产中起着非常重要的作用，中短距离的运输都是由其完成的.在运输过程中，胶带输送机始终存在着摩擦磨损，除胶带与驱动滚筒之间的摩擦是有益的之外，其他如与托辊等之间的摩擦均是有害的.

　　(1)托辊磨损随着胶带输送机向高速(由2.5m/s增加到4.5m/s)、大运量和长运距方向的发展，对托辊也提出了新的要求:高速、重载、长寿命.但是通过对兖州矿区井下胶带输送机使用情况的研究发现，国产托辊的平均使用寿命远低于设计寿命(30000～50000h)，一般在8000～10000h.现场统计表明，托辊失效的主要原因是轴承损坏，占到了托辊失效总量的95%.在兖州矿务集团兴隆庄煤矿，托辊使用305和306两种轴承，设计寿命30000h，600r/min，实际使用寿命为2～3a(约15000h).

　　托辊在潮湿、多尘、高速运行的恶劣情况下工作，由于轴承内摩擦的存在导致热量的产生，伴随大量的粉尘颗粒进入轴承密封腔内，致使润滑脂污染和干化，从而加快了轴承的磨损，进而影响托辊的正常运行，最终使轴承在干摩擦状况下急剧磨损而失效.托辊失效的另一个主要原因是由于壳体磨损，在输送机运行过程中，部分托辊由于某些原因导致其停转，从而使胶带和托辊外壳之间由滚动摩擦转变为滑动摩擦.这种状况下对胶带和托辊的损伤都是极其严重的.对托辊的损伤主要体现在壳体被磨薄后变形甚至断裂.

　　在实际使用过程中，胶带输送机维护工作量的80%是更换托辊.因此可以说托辊普遍存在着寿命短、维护量大等缺点，在一定程度上制约着胶带输送机的发展.而在机械化水平很高的兖州矿务集团东滩煤矿每年损耗的上托辊达5000组，下托辊1000组，价值170万元左右.根据现场获得的数据统计，全国每年投入在托辊上的成本为2～3亿元.

　　(2)胶带磨损胶带在带式输送机中起牵引和承载作用，是输送机的主要工作部件.其运动状态决定着输送机运料的连续性及稳定性.在工作过程中，胶带和滚筒、托辊及物料之间皆存在着摩擦磨损.

　　在现场了解到，胶带磨损较为严重的是非承载面，这和理论上看似不相符.经过仔细分析后认为，在胶带工作过程中，随着输送机速度的提高，胶带非承载面和托辊之间不再是理论上的纯滚动摩擦，还伴随着滑动摩擦.特别是个别托辊由于某些原因(轴承润滑不良等)造成转动不平稳甚至停转的情况下，滑动摩擦更为明显.而承载面的摩擦磨损主要是与物料(煤)之间产生的.在整个运输过程中，除了装料、卸料时存在着短暂的滑动摩擦，甚至是冲击摩擦(装料过程)外，在其余大部分时间里，胶带承载面和物料之间是相对静止的.因此，在现有的高速运行下的胶带输送机，胶带磨损较严重的为非承载工作面，往往在承载面还比较完好时，非承载面已经磨露出了钢丝.此外，随着胶带输送机速度的提高，胶带和托辊、滚筒之间的摩擦热也会相应增加，这也加速了胶带非承载面的磨损.目前，我国煤矿使用M7-668标准阻燃型胶带，过煤量一般为600～800万t，最多在1000万t.在兖州矿务集团东滩煤矿平均每年更换胶带1000～2000m，价值160～340万元.而全国，估计胶带的年消耗资金在1～2亿元之间.

　　1.5耙斗装载机磨损

　　耙斗装载机结构简单，容易制造，既能装大块岩石，又能用于坡度<35°的巷道，在煤矿生产中得到广泛的应用.但是，耙斗、运输槽和钢丝绳等容易磨损，因而影响设备的使用寿命.

　　工作时，耙斗、岩石在运输槽内发生运动，表面之间产生摩擦和磨损.机件表面与岩石的硬度差别，岩石的尺寸、形状、在耙斗和运输槽中的运动速度，以及耙斗和运输槽的材料性能等都对装载机的磨损产生影响.尤其因为耙斗装载机的磨损属于耙斗、岩石和运输槽三体磨损，三体磨损过程中两者之间的作用力远大于两体磨损过程中两者的作用力，因而机件表面的磨损破坏程度远大于两体磨损.现场研究发现，耙斗装载机的耙斗、中部槽和钢丝绳中，耙齿磨损最为严重，其使用寿命仅为3～5个月.其次是中部槽，也只有6～7个月的使用寿命.在徐州矿务集团旗山煤矿，每年用于更换中部槽中的铁板、角铁、扁铁就需要5万元左右，更换耙齿投入资金为3.6万元.兖州矿务集团东滩煤矿每年用于更换耙齿的资金在20万元左右.

　　1.6矿车磨损

　　矿车在我国煤炭生产的运输过程中所占比重较大，它周转于井下各工作面、各车场或井上井下.井下潮湿是矿车锈蚀的主要原因，煤尘、岩尘、水是轮对和轴承磨损的大敌.

　　(1)轮对磨损轮对是矿车的关键部件，它既是行走机构又是承载机构.由于煤矿生产的特殊环境，一般的矿车在使用90～180d后，轮对部位因进水、煤、泥而磨损加剧，需要更换轴承、密封件甚至轮对.导致矿车轮对失效的主要原因:①润滑不良.轴承润滑不良，会使其传动效率下降，在矿车车轮转动时，将发生隐性堵转现象，使车轮发生的滑动摩擦增多，造成车轮磨损加剧.②轨道中的弯道使轮对产生磨损.为避免矿车的2个车轴进入弯道之后，车轮的轮缘挤压钢轨，造成较大的行车阻力，必须加宽轨距;加之受离心力作用，经过一段时间的运行后，弯道处轨距出现较大负偏差和正偏差.当矿车驶入弯道时，矿车车轮就会相对轨道发生横向滑动.这种滑动反复出现，使车轮和轨道的滚动摩擦变成滚-滑复合摩擦，从而导致车轮的磨损增加.

　　除车轮磨损严重外，车轮轴的轴颈磨损也比较严重，2～3个月磨损量为20～30μm.此外，矿车在运行过程中由于受到冲击、超载等原因还可能引起车轮轴的变形.徐州矿务集团旗山煤矿每年更换车轮(轴)400套，价值14多万元.此外，每年还需要维修500根车轮轴，维修成本需9000元左右.

　　(2)车箱磨损矿车长期在井下工作，使得其表面在恶劣的环境中很快被氧化为一层氧化物.在装卸过程中，受矸石和煤的频繁冲击，氧化物被清除，接着金属表面又发生氧和铁的反应，生成新的氧化物.如此反复进行，腐蚀现象便继续下去，致使车箱壁厚减小，强度受到影响.因此，矿车车箱的失效是由腐蚀磨损引起的.

　　据调研数据统计，由于磨损原因，全国每年在矿车上投入的成本在2000～3000万元.

　　1.7振动筛磨损

　　近年来，国内振动筛的设计，特别是大型筛，在参数设计方面已与国际接轨，但在可靠性方面与国外产品还有较大差距.国外主流振动筛产品使用寿命一般在5a以上，而国内同规格产品使用寿命仅为2～3a，部分产品甚至只有几个月.振动筛可靠性问题主要表现为激振器(主要是轴承)和筛板等关键零部件的早期失效，从而导致振动筛不能工作、修复困难或修复成本高.

　　(1)激振器轴承磨损与一般机械传动中的轴承相比，振动轴承的工况十分恶劣，它除了承受元件之间的滚动和滑动摩擦作用之外，还需要承受由偏心轴或偏心块产生的冲击载荷的作用，而且这种冲击载荷通常是以很高的交变频率作用于轴承.因此，发生在振动轴承中的磨损行为实质上是一种冲击与摩擦的耦合磨损行为，这种耦合磨损行为一般将加剧轴承磨损失效的进程.加上振动轴承一般多是封闭式的，润滑和散热状况受到限制.在这种情况下，如果轴承结构参数选择不当，轴承材料抗振性能较差，轴承座的加工精度较低，轴承的装配质量不能满足要求，以及润滑油性能质量差等，都有可能造成振动轴承的早期磨损失效.一般表现为表面磨损、疲劳剥落或塑性变形等，严重情况下将出现轴承元件烧损或抱死、保持架断裂，以及滚动体和套圈破碎等恶性现象，因而严重地影响到振动筛工作的可靠性.目前，多数用于振动筛的轴承寿命在半年以内，有些轴承只能使用一两个月，因此，提高振动轴承的寿命是激振器可靠性设计的重点[2，3].

　　(2)筛板磨损筛板消耗的费用占总配件费用的50%左右.筛板安装在振动筛的底座横梁上，其磨损主要由工作过程中与物料(煤块、矸石、磁铁)之间的摩擦引起.筛板磨损不仅造成经济损失，而且影响筛分质量.对于冲孔筛板，物料将筛孔有原先的圆柱形磨成漏斗形，这样就会导致一些较大的煤块陷入其中而堵住筛孔，影响筛分和脱水效果.对于用钢筋条焊接成的筛板，由于和物料之间的磨损，使得钢筋条的直径磨细，导致筛板孔增大，从而影响筛分质量[4].徐州矿务集团权台煤矿选煤厂使用2台振动筛，筛板由普通圆钢焊成，平均每天工作20h，选煤4000t/d，半年更换一次筛板，每年更换成本为2万元.全国选煤厂每年因更换筛板的资金需2000万元以上.

　　1.8其他机械设备磨损

　　除上述机械设备的磨损外，还存在许多设备及零部件的磨损.如通风机、压风机叶片和主轴磨损;液压支架阀门、缸体和立柱的磨损;矿车三环链和碰头的磨损;提升机钢丝绳衬垫及制动器的磨损;破碎机中部槽和破碎部件的磨损;各类泵的叶轮和导向轮的磨损;各种钢轨的磨损;以及提升机井架、输送机托架和通风管道的腐蚀、磨损等，这些都是煤矿机械中常见的磨损失效之处，产生的经济损失大得惊人.有些磨损失效、如提升机制动器的磨损失效、矿车三环链和碰头的磨损断裂等，不仅带来经济损失，而且造成严重的人身安全事故.

　　根据生产现场获得的数据统计，全国煤矿机械每年因磨损消耗钢铁材料折合资金为50亿元.另外，依据实测和分析，有30%～40%的用电消耗于摩擦磨损.2004年全国原煤生产吨煤耗电26.84kW·h，若按2004年产量20亿t计，摩擦磨损所造成的电能损失为536.8亿kW·h，按每度电0.65元计算，约折合人民币348.92亿元.加上油脂消耗，全国煤矿系统每年由于磨损所造成的经济损失将在400亿元以上.

　　2减磨延寿的对策

　　鉴于煤矿机械磨损失效的严重性及其造成的巨大经济损失，必须采取积极有效的措施来减少和防治煤矿机械的磨损，从而延长其使用寿命，实现煤炭生产的高产高效.为此提出如下建议:

　　(1)重视摩擦学理论与设计的应用机械部件的摩擦、磨损及润滑是摩擦学研究的课题，摩擦学理论与摩擦学设计在煤矿机械中具有重要的作用[5，6].针对煤矿机械磨损失效形式，开展磨损机理研究，进行摩擦学设计，对提高设备的使用寿命具有重要的意义.例如，研究掌握振动轴承冲击与摩擦耦合磨损机理及影响因素，将有利于进行轴承工况参数、几何参数、表面性能和润滑条件等的科学设计，有利于设计出用于恶劣工况下的耐磨、抗疲劳轴承[7，8].

　　(2)发挥表面工程技术的作用摩擦、磨损是发生在相互作用零件的表面，因此，可以通过增强零部件的表面性能，以提高设备的抗磨性和耐腐蚀性.如对刮板输送机中部槽、挖掘机铲斗等采用堆焊技术，对井架、井筒和托辊机架等采用热喷涂防腐技术，对刮板、截齿和圆环链等运用激光重熔技术等，均可有效地延长设备的使用寿命.因此，应当充分发挥表面工程技术的作用，尽可能多地利用抗磨耐腐涂层等表面保护手段来解决煤矿机械零部件的磨损、腐蚀问题[9].

　　(3)加速抗磨材料的研发我国煤矿机械曾经长期使用低碳锰钢(16Mn，20Mn等)制造耐磨件，这种钢的热加工性能较好，比普通碳钢的抗磨性能有所提高.随着对材料耐磨性和强度等要求的日益提高，便开始使用加入多元合金化元素(如Mn，Cr，Mo，Ti，B等)的钢材，从而使煤矿机械零部件的抗磨性、抗腐蚀性和综合机械性能有了进一步的提高.目前在引进国外的综采设备上已采用抗磨铸钢件，如采煤机上采用铸钢齿轨，刮板输送机采用调质铸钢槽帮等，大大提高了这些部件的抗磨性能.因此，必须使用和加速研发具有足够抗磨能力的金属材料.同时，应注意研究和推广工程塑料、橡胶、聚胺脂等非金属材料，以及半金属复合材料.如在振动筛上使用聚胺脂筛板和橡胶弹簧，其耐磨性和抗疲劳性均可成倍的增加[4～10].

　　(4)加强设备的维护管理煤矿机械工作环境恶劣，工况条件苛刻，润滑不良，磨损、腐蚀的严重程度显而易见.因此，必须加强设备使用过程中的维护和管理，严格遵守操作规程，避免工况条件的恶化，如超速、超载等现象的发生.同时，应该努力改善设备的使用条件，定期维护，及时维修，提高维修质量，确保所有生产设备在良好的状态下运行.加强对设备的维护和管理，将能极大地减少设备磨损，提高设备的工作寿命.虽然磨损机理研究、摩擦学设计、耐磨材料研发等能从根本上解决煤矿机械的磨损失效问题，但是它们属于高科技，需要长时间、高投入，并且与其他科学技术的发展及社会进步密切相关，不能一蹴而就.相比之下，设备的维护管理工作对煤矿机械设备的减磨延寿具有现实、经济、简单和不可估量的作用.

　　3结语

　　煤矿生产环境恶劣，机械设备工况苛刻，磨损腐蚀无处不在，每年造成的经济损失大得惊人，政府和相关部门应该给予高度重视.如何有效地解决煤矿机械的磨损失效问题是一项值得研究的课题.重视摩擦学理论与设计的应用，充分发挥表面工程技术的作用，加速抗磨材料的研发，以及加强设备的维护和管理，是减少煤矿机械磨损，延长其使用寿命，实现煤炭高产高效和安全生产行之有效的措施.

　　参考文献:

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